一种无应力自紧密封上升管及其制造方法与流程

本发明涉及荒煤气废热利用锅炉系统，尤其为一种无应力自紧密封上升管及其制造方法。

背景技术：

从炼焦炉经上升管、桥管进入集气管内，荒煤气在桥管和集气管处用氨水喷洒冷却，使其温度由650-750℃降至80-85℃，为达到这一温度要求，每吨干装炉煤需喷洒5-6吨氨水用于冷却荒煤气，也就是说荒煤气的废热不但没有得到利用，而且还要消耗动力使煤气冷却和部分焦油器冷凝下来，荒煤气由于高温裂解往往在上升管根部结成坚硬的石墨，影响荒煤气顺利排出。由于炭化室内产生的荒煤气在不同的结焦时段煤气量不一样，而汽化冷却装置的吸热效率很高，所以汽化冷却装置在产气量少的时段会造成上升管内荒煤气温度低于400℃，温度过低会造成煤气中焦油气凝结，回流炭化室或粘附在管内壁影响荒煤气导出，清扫困难。还会导致集气管、吸气管等通道中焦油流动阻力增加。所以，焦炉上升管余热回收的任务就是回收400-750℃的余热。

荒煤气在850℃～500℃的热能属于高品质热能，高品质能源的低品质使用也是浪费，荒煤气在整个产生过程中有850～350℃左右的交替变化，当荒煤气温度高于500℃时要求废热利用，当温度低于500℃时要求停止取热，否则会造成结焦影响生产并存在安全隐患。荒煤气在上升管中经过桥管，采用大量70℃～75℃循环氨水冷却，氨水再去冷却，循环使用，高温荒煤气因循环氨水的大量蒸发而被冷却至82℃～85℃，荒煤气自身废热得不到利用白白浪费，还要大量氨水冷却，还要消耗动力进行氨水循环。

如果能够将850℃～500℃高温显热热能回收利用，降低工序能耗约10kg/吨焦；按即将采用合作实验的宝丰能源集团年产130万吨焦炭产量、可产生0.8MPa饱和蒸汽约17万吨，折合标煤1.6万吨，CO2减排近3.98万吨；SO2减排1190吨，NO2减排590吨；同时，还可以节省氨水及其循环所需要的动力，节能减排效果明显。所以，国内外均在研制上升管荒煤气废热利用装置及系统。

目前，国内外实现工程应用只有夹套式结构，该结构将上升管废热回收利用其生产0.8MPa饱和蒸汽，温度为175℃，其余还有126个上升管余热回收专利技术，或以工程应用失败而不能实现工程化应用，或束之高阁不具应用价值。

当前现有可行技术存在的问题：

夹套式结构在交变载荷下的疲劳问题无法解决：

上升管运行过程中上升管内温度在850～350℃之间交变，对于角焊缝结构的夹套式余热回收装置，有一个疲劳周期，一旦疲劳产生，焊缝会突然断裂，夹套内水瞬间流出到焦炉上会产生炉体爆炸，造成巨大的经济损失，存在重大安全隐患。

高品质能源的低品质回收利用

荒煤气850℃～500℃高温，属于中高品质热源，以温度仅为175℃的0.8MPa饱和蒸汽利用该品位热源，显然低品位用了，这样的应用本身没有高效使用该废热，存在能源的浪费。

聚冷现象导致结焦，给生产带来很多麻烦

煤干馏过程中当生产过程为加煤过程时，上升管内温度会达到300～400℃，这一过程上升管还在取热降温时，就会使给内产生聚冷现象，使产出的荒煤气聚冷结焦，后果会使结焦扩大影响传热而使废热锅炉失效，不能产生蒸汽，导致清焦困难，给生产带来影响，频繁清焦也会提高劳动强度、荒煤气泄漏造成环境污染、造成工人操作环境更加恶劣、增加操作和职业病安全隐患，清焦还会造成设备伤害。

目前，国内有上升管余热利用专利126个，就结构形式而言有管内式、套管式和夹套式；就传热方式而言均以热传导、热对流和热辐射相结合的方式进行。其中代表性结构形式有夹套式盘管式，传热方式为上升管的热传导，专利有：申请号201210457921.1（用于焦炉上升管荒煤气余热回收换热器），该案由内、外套管组成，内、外套管之间设有多股螺旋回流通道，内、外套管两端各设一个汇流集箱。该申请案与其他形式的焦炉上升管荒煤气余热回收换热器相比较，适合焦化工艺荒煤气工况变化，在一定程度上加强了换热效果，解决了管壁结焦的问题，但其不足之处在于：该申请案主要适用于气体作为冷介质的焦炉上升管换热器，对于使用除盐水作为冷介质时，效果并不理想，且该申请案的热量易外散，对环境带来恶劣影响；专利申请号201210370657.8，（焦炉荒煤气余热利用方法和设备），该案由中间筒的内外两侧分别设有内筒和外筒，内筒和中间筒之间构成内夹套，外筒和中间筒之间构成外夹套，内夹套和外夹套共用一个中间筒体，内夹套的轴向高度大于外夹套的轴向高度，内夹套完全遮挡外夹套；内夹套充满导热介质气相或、液相材，外夹套充满工艺介质液体或气体，高温荒煤气直接与内夹套换热，热量通过内夹套的导热介质再换给外夹套里的工艺介质，该申请案也在一定程度上解决了上升管易结焦和堵塞的问题，但该申请案经过两次换热，热量损失大，该申请案的热量也易外散，影响外部环境。

现在，只有夹套式结构实施了工程化应用，可靠性工程考验还不足一年，焦炉荒煤气余热回收发电系统及方法（申请号：104061031A）一种焦炉荒煤气余热回收利用系统（专利号203530217U），典型特点是夹套式结构。

诸多的专利不能实现工程化应用的结构方面原因是：不能很好的解决上升管运行过程中的温度交变问题，工程结构在交变载荷下存在疲劳破坏问题：上升管运行过程中上升管内温度在1200～350℃之间交变，对于角焊缝结构的夹套式余热回收装置，有一个疲劳周期，一旦疲劳产生，焊缝会突然断裂，夹套内水瞬间流出到焦炉上会产生炉体爆炸，造成巨大的经济损失，存在重大安全隐患；腐蚀问题：上升管内荒煤气存在复杂的腐蚀介质，腐蚀介质和高温的耦合会造成金属材料严重腐蚀和烧蚀；上升管管外取热系统对上升管运行过程的附加载荷，上升管温度载荷交变，材料的热胀冷缩过程交变，在此过程中出现附加拉压应力和弯矩的偶合附加载荷，这种附加在和会造成上升管的破坏失效。

技术实现要素：

本发明目的在于解决上述问题，提供了一种无应力自紧密封上升管及其制造方法，具体由以下技术方案实现：

一种无应力自紧密封上升管，连接炼焦炉以及桥管，包括外筒体和设置于外筒体内的耐高温、耐腐蚀的内衬管，所述外筒体包括互相对接的第一筒体和第二筒体，所述第一筒体内部具有空腔且为金属筒体，所述空腔内置有用于吸收热量的辐射管组，所述第二筒体为长度可变化的膨胀节，从而第一筒体的热形变量可由第二筒体吸收；所述内衬管由第一衬管、第二衬管对接而成，两者的对接缝处对应的端部分别设置有由插台和与该插台对应的插槽组成的密封副，该密封副内填充有密封材料，从而所述内衬管的热型变量可由所述密封副吸收；所述对接缝的外侧包裹有挡圈以及耐高温密封层，从而高温状态下该无应力自紧密封上升管内外的密封效果由受热膨胀而互相咬合状态下的密封副以及密封副内的密封材料实现，低温状态下该无应力自紧密封上升管内外的密封效果由冷缩后的挡圈压迫耐高温密封层于所述对接缝实现。

所述的无应力自紧密封上升管，其进一步设计在于，所述第一筒体由内层筒、外层筒以及端部面板组成，所述内层筒的外径小于所述辐射管组，所述外层筒的内径大于所述辐射管组，所述内层筒设置于所述外层筒内并且两者同轴，所述端部面板连接所述内层筒外层筒的两端，从而在第一筒体内形成可间隙式设置辐射管组的空腔。

所述的无应力自紧密封上升管，其进一步设计在于，所述第二筒体由依次连接的膨胀波纹管、接管和筒体法兰组成。

所述的无应力自紧密封上升管，其进一步设计在于，所述膨胀波纹管两端分别连接有安装挡板，与第一筒体相对的安装挡板与所述第一筒体连接，从而所述第一筒体的热形变量经由该安装挡板传递至所述膨胀波纹管。

所述的无应力自紧密封上升管，其进一步设计在于，所述第一衬管、第二衬管之间的对接缝与所述第二筒体相对应，从而所述挡圈以及耐高温密封层处于所述膨胀波纹管内，相应地，所述膨胀波纹管内径大于所述内衬管外径。

所述的无应力自紧密封上升管，其进一步设计在于，所述内衬管与所述膨胀波纹管之间还设置有用于对膨胀波纹管形成保护的隔热层。

所述的无应力自紧密封上升管，其进一步设计在于，所述第一筒体外部设置有连通所述空间与外部空间的放空接管。

所述的无应力自紧密封上升管，其进一步设计在于，所述辐射管组的下端口与外部的水进口集合管连接，辐射管组的上端口与汽水混相出口集合管连接。

所述的无应力自紧密封上升管，其进一步设计在于，所述内衬管采用陶瓷或者陶瓷基复合材料制成，所述外筒体外部包裹有保温层。

一种如上所述的无应力自紧密封上升管的制造方法，具体包括如下步骤：以ΔL=αΔt·L计算出内衬管在Δt温度变化下的热膨胀量并以此为基准长度，其中α为内衬管的热膨胀系数，L为内衬管的长度，ΔL为热膨胀量，Δt为温度变化量；密封副的插槽深度、插台长度大于此基准长度；组装并检验外筒体：将所述的第一筒体、第二筒体焊接在一起，用法兰板密封两端法兰，充气试密，不漏为合格；检测内衬管气密性：在第一衬管、第二衬管的密封副插槽底部加入密封材料，采用工装将第一衬管和第二衬管按安装长度在承插密封槽处插入装配好，用盲法兰密封两端法兰盘，压紧填料，在盲法兰上设有的气孔通气试密，不漏为合格，拆开两者，在密封副插槽内填入密封材料备用； 将与第一筒体对应的并且具有密封副插槽的第一衬管装入所述外筒体；向第二筒体的膨胀节内填充密封填料、挡圈、隔热层：自膨胀节的安装挡板内径填入上述填料以及挡圈，并使相应填料高出膨胀节法兰盘；装入于第二筒体相对应的第二衬管，并将高出膨胀节法兰盘的填料压平，使得膨胀节法兰盘紧贴第二衬管法兰。

本发明的有益效果：

本发明通过在可以适应任何上升管废热回收利用系统的结构设计，尤其适用于高品质回收废热及产生高压蒸汽；本发明的外筒体的热形变量由第二筒体吸收、内衬管的热形变量可由密封副吸收，消除了上升管运行过程中的对管道系统附加应力及上升管受到的反作用力，从而避免了由于上升管与管道系统连接处由于前述作用力导致破损以及泄露的危险；从而使废热利用系统结构受力优化，可以承受高压，寿命长，安全性有保障；本发明结构紧凑、操作方便、运行成本低，且系统独立，可单元化制造加工。

附图说明

图1本发明实施例结构示意图。

图2为第二筒体以及第二衬管结构示意图。

图3内衬管整体结构意图。

图4为图2中Ⅰ处自紧密封结构局部结构示意图。

图中：1-内衬管，1-1、第一衬管，1-2、密封填料，1-3、第二衬管，1-4、对接缝，2-端部面板，3-辐射管组，4-保温层，5-放空接管，6-外层筒，7-安装挡板，8-膨胀波纹管，9-第二筒体法兰，10-挡圈，11-第二衬管法兰盘，12-耐高温密封层，13-固定螺栓，14-密封挡环，15-内层筒，16-接管、171-第一筒体、172-第二筒体、17-外筒体、18-隔热层、19-下端口、20-上端口。

具体实施方式

以下结合说明书附图以及实施例对本发明进行进一步说明：

如图1所示，该无应力自紧密封上升管，连接炼焦炉以及桥管，从而该无应力自紧密封上升管在1200～350℃之间交变，具体包括外筒体17和设置于外筒体内的耐高温、耐腐蚀的内衬管1，其中，内衬管采用陶瓷或者陶瓷基复合材料制成，外筒体包括互相对接的第一筒体171和第二筒体172，第一筒体内部具有空腔且为金属筒体，空腔内置有用于吸收热量的辐射管组3，第二筒体172为轴向长度可变化的膨胀节，从而第一筒体171的热形变量可由第二筒体172吸收；内衬管1由第一衬管1-1、第二衬管1-2对接而成，两者的对接缝1-4处对应的端部分别设置有由插台和与该插台对应的插槽组成的密封副，该密封副内填充有密封材料1-2，从而内衬管的热型变量可由密封副吸收；对接缝的外侧包裹有挡圈10以及耐高温密封层12，耐高温密封层12的下端设置有密封挡环14，从而高温状态下该无应力自紧密封上升管内外的密封效果由受热膨胀而互相咬合状态下的密封副以及密封副内的密封材料实现，低温状态下该无应力自紧密封上升管内外的密封效果由冷缩后的挡圈压迫耐高温密封层于对接缝实现。为了防止热量通过外筒体散失，外筒体外部包裹有保温层；第二筒体由依次连接的膨胀波纹管8、接管16和第二筒体法兰9组成。

结合图2-图4所示，第一筒体由端部面板2以及同种金属材质的内层筒15、外层筒6组成，可以保证其运行过程中温度交变时内层筒、外层筒的膨胀量相同，消除由于材料不同而带来的膨胀附加应力；内层筒的外径小于辐射管组，外层筒的内径大于辐射管组，内层筒设置于外层筒内并且两者同轴，端部面板连接内层筒外层筒的两端，从而在第一筒体内形成可间隙式设置辐射管组的空腔。

膨胀波纹管8两端分别连接有安装挡板7，与第一筒体相对的安装挡板与第一筒体连接，从而第一筒体的热形变量经由该安装挡板传递至膨胀波纹管。在搬运途中，为了防止膨胀波纹管由于颠簸而与其他部件发生剐蹭磨损，故而通过固定螺栓对安装挡板乃至膨胀波纹管进行了固定。

第一衬管、第二衬管之间的对接缝1-4与第二筒体相对应，从而挡圈以及耐高温密封层处于膨胀波纹管内，相应地，膨胀波纹管内径大于内衬管外径。为了防止膨胀波纹管受高温影响，内衬管与膨胀波纹管之间还设置有用于对膨胀波纹管形成热保护的隔热层18。

第一筒体外部设置有连通空间与外部空间的放空接管5。放空接管5可以随时释放温度变化过程中的压力变化引起气体进出以实现与外界的压力平衡。

辐射管组的下端口19与外部的水进口集合管连接，辐射管组的上端口20与汽水混相出口集合管连接。水进口集合管通过管路与外部入口集合管汇集管连接，汽水混相出口集合管通过管路与外部出口集合管汇集管连接，出口集合管汇集管通过管路与汽包连接，汽包上连接有蒸汽管道，蒸汽管道内的蒸汽用于做功，在汽包底部通过泵入口管连接循环水泵，循环水泵通过泵出水管与入口集合管汇集管连接，从而本发明可对炼焦炉上升管荒煤气高温废热进行高效利用。

本发明提供的无应力自紧密封上升管的制造方法，具体包括如下步骤：以ΔL=αΔt·L计算出内衬管在Δt温度变化下的热膨胀量并以此为基准长度，其中α为内衬管的热膨胀系数，密封副的插槽深度、插台长度大于此基准长度；组装并检验外筒体：将所述的第一筒体、第二筒体焊接在一起，用法兰板密封两端法兰，充气试密，不漏为合格；检测内衬管气密性：在第一衬管、第二衬管的密封副插槽底部加入密封材料，采用工装将第一衬管和第二衬管按安装长度在承插密封槽处插入装配好，用盲法兰密封两端法兰盘，压紧填料，在盲法兰上设有的气孔通气试密，不漏为合格，拆开两者，在密封副插槽内填入密封材料备用； 将与第一筒体对应的并且具有密封副插槽的第一衬管装入所述外筒体；向第二筒体的膨胀节内填充密封填料、挡圈、隔热层：自膨胀节的安装挡板内径填入上述填料以及挡圈，并使相应填料高出膨胀节法兰盘；装入于第二筒体相对应的第二衬管，并将高出膨胀节法兰盘的填料压平，使得膨胀节法兰盘紧贴第二衬管法兰盘11。

本发明通过在可以适应任何上升管废热回收利用系统的结构设计，尤其适用于高品质回收废热及产生高压蒸汽；本发明的外筒体的热形变量由第二筒体吸收、内衬管的热形变量可由密封副吸收，消除了上升管运行过程中的对管道系统附加应力及上升管受到的反作用力，从而避免了由于上升管与管道系统连接处由于前述作用力导致破损以及泄露的危险；从而使废热利用系统结构受力优化，可以承受高压，寿命长，安全性有保障；本发明结构紧凑、操作方便、运行成本低，且系统独立，可单元化制造加工。